輻射測(cè)溫課件

**

輻射測(cè)溫**傳熱與測(cè)溫的關(guān)系由物質(zhì)決定的傳熱類型涉及到物質(zhì)：物質(zhì)內(nèi)部的傳熱——傳導(dǎo)傳熱機(jī)制：質(zhì)點(diǎn)碰撞物質(zhì)之間的傳熱——對(duì)流傳熱機(jī)制：微團(tuán)宏觀運(yùn)動(dòng)+質(zhì)點(diǎn)碰撞不涉及物質(zhì)的傳熱——輻射傳熱機(jī)制：電磁波**傳熱與測(cè)溫的關(guān)系由傳熱決定的測(cè)溫類型涉及到物質(zhì)的測(cè)溫?zé)崞胶庠瓌t（熱力學(xué)第零定律）傳導(dǎo)傳熱：質(zhì)點(diǎn)與測(cè)溫元件之間充分碰撞要求測(cè)溫元件的尺度盡可能地小。對(duì)流傳熱：測(cè)溫元件隨微團(tuán)作宏觀運(yùn)動(dòng)要求準(zhǔn)確知道微團(tuán)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，才能精確反演溫度。不涉及物質(zhì)的測(cè)溫輻射傳熱——電磁波函數(shù)中的溫度黑體輻射——黑體輻射光譜——普朗克定律喇曼輻射——喇曼輻射光譜熒光輻射——熒光輻射光譜**

溫度測(cè)量類型溫度測(cè)量**神舟四號(hào)發(fā)射升空飛船返回，穿越大氣層航天器高溫溫度測(cè)量**衛(wèi)星遙感地物遙感海洋衛(wèi)星傳回第一幅遙感圖像l海溫測(cè)量→陸溫測(cè)量大區(qū)域/多礦種快速地質(zhì)勘探

**基于普朗克定律的測(cè)溫輻射測(cè)量方程輻射測(cè)溫的分析輻射測(cè)溫方法譜色測(cè)溫方法**1、輻射測(cè)量方程立體角輻射成像介質(zhì)吸收**立體角——在確定的立體角內(nèi)，輻射強(qiáng)度是個(gè)常數(shù)。立體角示意圖**輻射成像——1.被成像物體上某一微元面積與透鏡之間的輻射傳熱；2.透鏡對(duì)輻射傳熱的衰減。成像示意圖**介質(zhì)吸收——輻射傳輸介質(zhì)的吸收**輻射測(cè)量方程uK3(λ)K1(λ)K2(λ)φθIdAsAααCCD

輻射測(cè)量的原理圖輻射的發(fā)射

介質(zhì)吸收光學(xué)成像光電轉(zhuǎn)換**2、輻射測(cè)溫的分析輻射測(cè)溫中的三大體系輻射傳輸介質(zhì)輻射測(cè)量方程中非光譜量的處理輻射測(cè)量方程中光譜量的處理**輻射測(cè)溫中的三大體系測(cè)量?jī)x器幾何光學(xué)參數(shù)可調(diào)節(jié)入射輻射通量的大小光譜響應(yīng)函數(shù)可決定入射輻射的光譜響應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)方向角參數(shù)儀器與測(cè)量對(duì)象的空間關(guān)系輻射傳輸介質(zhì)儀器與測(cè)量對(duì)象的距離關(guān)系介質(zhì)對(duì)被傳輸輻射的吸收介質(zhì)對(duì)被傳輸輻射光譜的影響測(cè)量對(duì)象輻射光譜強(qiáng)度函數(shù)需要確定函數(shù)的具體形式**輻射傳輸介質(zhì)

波長(zhǎng)um

熔融石英

6mm厚

低鐵玻璃

6mm厚

有機(jī)玻璃

6mm厚

可見光

輻射減弱系數(shù)**輻射測(cè)溫的光譜/非光譜測(cè)量?jī)x器光學(xué)幾何參數(shù)可調(diào)節(jié)入射輻射通量的大小光譜響應(yīng)函數(shù)可決定入射輻射的光譜響應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)方向角參數(shù)決定著二維測(cè)量的關(guān)鍵因素輻射傳輸介質(zhì)-選擇測(cè)量窗口儀器與測(cè)量對(duì)象的距離關(guān)系介質(zhì)對(duì)被傳輸輻射的吸收測(cè)量目標(biāo)輻射光譜強(qiáng)度函數(shù)黑體輻射光譜分布有確定的函數(shù)形式一般物體尚需確定發(fā)射率**輻射測(cè)溫中非光譜量的處理標(biāo)定確定非光譜量的數(shù)值歸一化消除非光譜量的影響**標(biāo)定——采用已知的輻射來(lái)確定非光譜量的數(shù)值標(biāo)定最容易的標(biāo)定（黑體：?jiǎn)紊?全色）輻射測(cè)溫：?jiǎn)紊?全色**歸一化——通過(guò)比值的處理形式以消除非光譜量的數(shù)值歸一化選擇波長(zhǎng)的歸一化選擇光譜響應(yīng)函數(shù)的歸一化**標(biāo)定型/歸一化型兩種處理方式的小結(jié)輻射測(cè)溫標(biāo)定型歸一化型不適合溫度場(chǎng)測(cè)量測(cè)量只能在標(biāo)定條件下進(jìn)行可進(jìn)行溫度場(chǎng)測(cè)量測(cè)量時(shí)需要若干路信號(hào)若干單色若干波段單色波段全色**輻射測(cè)溫中光譜量的處理儀器的光譜響應(yīng)函數(shù)光學(xué)部分：?jiǎn)紊徊ǘ危ǔ?shù)/函數(shù)）光電部分：常數(shù)響應(yīng)/函數(shù)響應(yīng)被測(cè)目標(biāo)的光譜輻射普朗克定律：溫度是待定物理量物體發(fā)射率：與溫度一樣，發(fā)射率也是待定物理量輻射測(cè)溫的困惑一個(gè)測(cè)量方程，有兩個(gè)物理量需要待定**儀器的光譜響應(yīng)函數(shù)可作三種處理波段單色全色三種處理的技術(shù)實(shí)現(xiàn)波段：光學(xué)部分作為校正，光電部分保持原態(tài)；單色：光學(xué)部分起決定作用，光電部分保持原態(tài)；全色：光學(xué)部分可取消，光電部分要求全波長(zhǎng)響應(yīng)。 **被測(cè)目標(biāo)的光譜輻射被測(cè)目標(biāo)光譜輻射函數(shù)的描述普朗克定律具有確定的函數(shù)形式發(fā)射率數(shù)值型函數(shù)型**輻射測(cè)溫的解惑之道輻射測(cè)溫普朗克定律（連續(xù)函數(shù)）發(fā)射率數(shù)值型函數(shù)型單色波段全色離散式連續(xù)式多個(gè)單色多個(gè)波段**輻射測(cè)溫全部技術(shù)路線的綜述輻射測(cè)溫標(biāo)定型歸一化型單色全色波段選擇不同的測(cè)量波長(zhǎng)選擇不同的光譜響應(yīng)數(shù)值型發(fā)射率函數(shù)型發(fā)射率-離散式處理數(shù)值型發(fā)射率函數(shù)型發(fā)射率-數(shù)值式處理函數(shù)型發(fā)射率**3、輻射測(cè)溫方法標(biāo)定（單色/全色）下的輻射測(cè)溫方法歸一化（對(duì)波長(zhǎng)）下的輻射測(cè)溫方法輻射測(cè)溫方法的歷史總結(jié)**標(biāo)定（單色/全色）下的輻射測(cè)溫方法單色輻射測(cè)溫全色輻射測(cè)溫分析：假設(shè)溫度的做法能夠保障溫度的封閉求解，但須注意輻射的方向性和輻射表面的狀態(tài)會(huì)影響到假設(shè)溫度的數(shù)值。如果對(duì)發(fā)射率的分布狀態(tài)予以考慮的話，則只能在單色輻射測(cè)量的情況下進(jìn)行。**3.1發(fā)射率數(shù)值方法：a）假設(shè)溫度

為了知道材料的發(fā)射率，我們可以采用某種獨(dú)立的手段[35]。例如使用熱電偶式溫度計(jì)，來(lái)不時(shí)地測(cè)量試件的溫度(可以和用輻射式溫度計(jì)測(cè)量溫度同時(shí)進(jìn)行)。調(diào)整輻射式溫度計(jì)的發(fā)射率度盤，直到兩種溫度計(jì)所指示的溫度相同。如果測(cè)量條件不變，發(fā)射率度盤的這一調(diào)整位置，便可用在今后的任何輻射法溫度測(cè)量中，當(dāng)然也就不需要熱電偶參與了。由于發(fā)射率會(huì)隨溫度而變，對(duì)于變化不大的情形，這樣做是有意義的，反之，則測(cè)量結(jié)果不可信。**3.1發(fā)射率數(shù)值方法：a）假設(shè)溫度儀器設(shè)計(jì)原則光學(xué)幾何參數(shù)不變不可調(diào)節(jié)入射輻射通量的大小光譜響應(yīng)函數(shù)可決定入射輻射的光譜響應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)方向角參數(shù)確定只能進(jìn)行某一位置的測(cè)量輻射傳輸介質(zhì)-選擇測(cè)量窗口固定儀器的距離關(guān)系明確射輻傳輸介質(zhì)測(cè)量對(duì)象設(shè)定發(fā)射率調(diào)整裝置輸入發(fā)射率即可獲得真實(shí)溫度**3.1發(fā)射率數(shù)值方法：b）引入已知量參考源溫度單色儀探測(cè)器放大記錄單色輻射－吸收發(fā)光法原理圖高溫氣體溫度T吸收率α**3.1發(fā)射率數(shù)值方法：b）引入已知量譜線反轉(zhuǎn)法——單色輻射－吸收發(fā)光法的特殊情況積分輻射－吸收發(fā)光法——滿足灰體條件積分輻射反轉(zhuǎn)法鏡子法

**3.1發(fā)射率數(shù)值方法：b）引入已知量偏振光法該方法[36]應(yīng)用拋光金屬表面純鏡面反射時(shí)兩個(gè)偏振分量強(qiáng)度比與物體反射率的關(guān)系[37]其中p、n分別表示光線的水平和垂直偏振分量，I為光強(qiáng)，為物面垂直分量的鏡面反射率。測(cè)量?jī)蓚€(gè)偏振分量的強(qiáng)度比，即可獲得被測(cè)物體的反射率，從而得到物體的發(fā)射率和溫度。Murray[38]等的儀器如圖所示，此方法僅適用于拋光金屬表面。透鏡濾光片視場(chǎng)光闌探測(cè)器旋轉(zhuǎn)分析器黑體表面孔徑光闌**3.1發(fā)射率數(shù)值方法：b）引入已知量通過(guò)把黑體參考源輻射投射到待測(cè)目標(biāo)表面，將目標(biāo)表面反射的黑體輻射和自身的發(fā)射輻射疊加的結(jié)果和參考源的黑體輻射大小想比較，從而得知物體真實(shí)溫度的一種輻射測(cè)溫中早期被廣泛應(yīng)用的方法[1]

**3.1發(fā)射率數(shù)值方法：c）改變物體發(fā)射率為了將避免目標(biāo)表面發(fā)射率隨波長(zhǎng)發(fā)生變化，將待測(cè)物體改造成灰體，是輻射測(cè)溫中常用到的一種方法，尤其在鋼鐵工業(yè)中被廣泛采用[31]。其原理是：用耐高溫的材料制成一空心圓管，稱為導(dǎo)管。導(dǎo)管插入金屬液后，導(dǎo)管內(nèi)部即形成一個(gè)空腔，空腔底部為被測(cè)體，這個(gè)空腔的存在改變了被測(cè)表面的發(fā)射率，不論導(dǎo)管末端是開口還是封口的，在一定條件下，都使底部的有效發(fā)射率接近灰體輻射。通過(guò)對(duì)圓柱形空腔的有效發(fā)射率的分析，得到圖示的結(jié)果。－被測(cè)金屬液的發(fā)射率

－導(dǎo)管材料的發(fā)射率

－加導(dǎo)管后的積分發(fā)射率

特制試樣法高溫計(jì)

半球鍍金反射鏡式輻射溫度計(jì)**3.2發(fā)射率函數(shù)構(gòu)造：a）特定發(fā)射率函數(shù)Hottel理論發(fā)射率模型Edwards[37]模型Hagen-Rubens模型Sala[39]鐵發(fā)射率函數(shù)**3.2發(fā)射率函數(shù)構(gòu)造：b）發(fā)射率的數(shù)學(xué)函數(shù)泛函[40]表述的發(fā)射率若干數(shù)學(xué)表述對(duì)數(shù)指數(shù)形式三角函數(shù)形式線性形式**歸一化（對(duì)波長(zhǎng)）下的輻射測(cè)溫方法**輻射測(cè)溫方法的歷史總結(jié)輻射測(cè)溫標(biāo)定型歸一化型單色全色波段選擇不同的測(cè)量波長(zhǎng)選擇不同的光譜響應(yīng)數(shù)值型發(fā)射率函數(shù)型發(fā)射率-離散式處理數(shù)值型發(fā)射率函數(shù)型發(fā)射率-數(shù)值式處理函數(shù)型發(fā)射率輻射測(cè)溫儀器輻射測(cè)溫儀器輻射測(cè)溫儀器**4、譜色測(cè)溫方法研究路線的分析與確定譜色測(cè)溫儀器的外處理譜色測(cè)溫儀器的內(nèi)處理特例——彩色測(cè)溫方法**研究路線的分析與確定——選擇歸一化型方案輻射測(cè)溫標(biāo)定型歸一化型不適合溫度場(chǎng)測(cè)量測(cè)量只能在標(biāo)定條件下進(jìn)行可進(jìn)行溫度場(chǎng)測(cè)量測(cè)量時(shí)需要若干路信號(hào)**研究路線的分析與確定——選擇光譜響應(yīng)方案歸一化型輻射測(cè)溫選擇不同的測(cè)量波長(zhǎng)選擇不同的光譜響應(yīng)**譜色測(cè)溫儀器的外處理——?dú)w一化方便儀器測(cè)量歸一化選擇光譜響應(yīng)函數(shù)的歸一化設(shè)計(jì)要求光譜響應(yīng)必須體現(xiàn)為波長(zhǎng)的函數(shù)；通過(guò)構(gòu)造光譜響應(yīng)函數(shù)來(lái)求解發(fā)射率函數(shù)中的待定參數(shù)；歸一化測(cè)量數(shù)據(jù)越大越好。**譜色測(cè)溫儀器的內(nèi)處理——普適性滿足不同對(duì)象建立一個(gè)具有普適性的發(fā)射率函數(shù)以適合視場(chǎng)內(nèi)出現(xiàn)的不同目標(biāo)的溫度測(cè)量；發(fā)射率必須體現(xiàn)為波長(zhǎng)的函數(shù)；這個(gè)普適的發(fā)射率函數(shù)中待定參數(shù)的數(shù)目受到歸一化測(cè)量數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)要求的限制；在發(fā)射率函數(shù)的數(shù)學(xué)表述與發(fā)射率的物理定義之間形成關(guān)聯(lián)。**窄波段內(nèi)的發(fā)射率——具有單調(diào)性發(fā)射率

實(shí)際物體的發(fā)射率在全波長(zhǎng)的范圍內(nèi)表現(xiàn)復(fù)雜，但在一個(gè)較窄的波段內(nèi)表現(xiàn)簡(jiǎn)單，具有單調(diào)性。

高溫物體在可見光波段內(nèi)的光譜發(fā)射率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明：絕大多數(shù)的金屬和非金屬的發(fā)射率在可見光波段內(nèi)呈單調(diào)性態(tài)。**普適性的光譜發(fā)射率函數(shù)**數(shù)學(xué)表述與物理定義的關(guān)聯(lián)

發(fā)射率函數(shù)中的波長(zhǎng)無(wú)量綱化處理的示例

**譜色測(cè)溫方法**譜色測(cè)溫方法**譜色測(cè)溫方法的優(yōu)勢(shì)歸一化數(shù)據(jù)處理無(wú)需傳統(tǒng)意義上的標(biāo)定可任意改變測(cè)量?jī)x器的非光譜參數(shù)（光圈/曝光時(shí)間）真正意義上的溫度場(chǎng)測(cè)量普適的、以無(wú)量綱波長(zhǎng)表述的發(fā)射率函數(shù)無(wú)須發(fā)射率修正也能測(cè)得真實(shí)溫度多目標(biāo)同時(shí)測(cè)量可在任意波段內(nèi)進(jìn)行**5、特例：彩色測(cè)溫方法**研究意義彩色數(shù)碼相機(jī)光學(xué)特性的研究數(shù)碼相機(jī)的光強(qiáng)響應(yīng)函數(shù)為數(shù)碼相機(jī)的許多數(shù)據(jù)處理過(guò)程，如顏色矯正、圖像修復(fù)、色度分析等提供依據(jù)升格為顏色記錄裝置高溫測(cè)量?jī)x器**特例：彩色測(cè)溫

在空間進(jìn)行的全部的波，以最短到最長(zhǎng)的，構(gòu)成了整個(gè)電磁波頻譜。輻射有若干種形式，但其間沒有間斷，波長(zhǎng)是連續(xù)不斷的改變。在譜尺的一端是能量極高的伽瑪射線，它甚至可以穿透鋼鐵。在譜尺的另一端是無(wú)線電波，它們的能量極低，人體不易察覺。在兩個(gè)極端之間是一小群我們可以體驗(yàn)出來(lái)的可見光譜，通常說(shuō)的光源就是指發(fā)出可見光的輻射源。**特例：彩色測(cè)溫CompositeColorImageGreenImageBlueImageRedImage**特例：彩色測(cè)溫為CIERGB系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者光譜三刺激值**彩色測(cè)溫的數(shù)學(xué)問(wèn)題歸一化處理**彩色測(cè)溫的數(shù)學(xué)問(wèn)題稱為色核體坐標(biāo)定義：**彩色測(cè)溫方法的特征特征之1.輻射測(cè)溫坐標(biāo)系****彩色測(cè)溫的技術(shù)問(wèn)題—流程****彩色測(cè)溫的技術(shù)問(wèn)題—流程CMS-2002它采用改進(jìn)二分法和優(yōu)化查詢等技術(shù)，使得溫度分析變得方便、快捷而準(zhǔn)確。該軟件具有全中文界面、多樣化的功能以及豐富多彩的曲線表達(dá)能力。CMS-2002支持標(biāo)準(zhǔn)的WAIN_32、USB接口，除了直接調(diào)入磁盤上的數(shù)字圖像文件進(jìn)行分析外，還可以利用彩色圖像掃描儀或數(shù)碼相機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)靜態(tài)圖像的輸入

**彩色測(cè)溫的科學(xué)問(wèn)題—已有研究研究現(xiàn)狀：不依賴②物體的輻射顏色與①溫度之間的關(guān)系，即黑體（或灰體）的顏色軌跡——Planck軌跡黑體：理想表面，輻射強(qiáng)度不依賴于表面性質(zhì)等諸多因素，僅與波長(zhǎng)、溫度有關(guān)，Planck定律給予了精確的定量描述

高溫物體的輻射顏色：①溫度；②物體。

高溫物體的輻射顏色：①溫度；②物體——已有研究

**彩色測(cè)溫的科學(xué)問(wèn)題—已有研究研究現(xiàn)狀：不依賴②物體的輻射顏色與①溫度之間的關(guān)系，即黑體（或灰體）的顏色軌跡——Planck軌跡黑體：理想表面，輻射強(qiáng)度不依賴于于表面性質(zhì)等諸多因素，僅與波長(zhǎng)、溫度有關(guān)，Planck定律給予了精確的定量描述

高溫物體的輻射顏色：①溫度；②物體——已有研究

Planck軌跡：